不同內軸類型環隙型水力空化器空化效果的數值模擬

鄭勝寒，盧曉江，石 宇

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

1 計算模型、計算方法及邊界條件

1.1 計算模型

圖 1為設計的 3種不同內軸類型的環隙型水力空化器結構示意圖．空化器除了內軸不同外，其余結構與尺寸均相同．外腔直徑為 60,mm，空化器長度為400,mm，外腔與內軸中心線重合，3種不同的空化器內軸直徑均為 20,mm，內軸最大直徑處直徑均為52,mm．采用三維結構網格劃分方案，運用專業網格劃分軟件Ansys Icem對計算區域進行空間六面體網格劃分，以球形內軸空化器為例，其網格劃分結果見圖 2．

圖1 不同內軸類型的環隙型水力空化器結構示意圖Fig. 1 Structure schema of the annulus cavitation device with different types of inner shafts

圖2 球形內軸環隙型空化器網格劃分圖Fig. 2 Mesh map of the spherical inner shaft device

1.2 計算方法及邊界條件

1.2.1 計算方法

利用計算軟件Ansys Fluent進行運算，選用基于壓力的穩態求解器類型；多相流模型采用 Mixture模型，不考慮氣液兩相間的相對運動；采用 Realizable-κ ε湍流模型封閉三維Navier-Stokes方程，壁面處理采用標準壁面函數；選用穩定性較好的Schnerr-Sauer空化模型；采用 Simple壓力速度耦合方式對流場進行計算，其他項選用具有絕對穩定特性的一階迎風格式．

湍流模型選用Realizable -κ ε模型，其中κ和ε的方程分別定義為

1.2.2 邊界條件

水在常溫下(300,K)發生空化的壓力為3,540,Pa，采用壓力入口、壓力出口以及無滑移標準壁面函數邊界條件．設進出口蒸氣體積分數為 0，液態水體積分數為 1．入口壓力為 0.8,MPa，出口壓力為 0.2,MPa．

2 計算結果與分析

2.1 壓力云圖

圖 3為 3種環隙型水力空化器發生空化現象時中間截面的壓力分布云圖．可以看出：水流經過由內軸最大直徑與外腔組成的環隙時，由于節流的原因，會在環隙后方產生一定范圍的低壓區，節流的作用致使水流速度與壓降急劇增大，從而產生了低壓區．低壓區的形成為流體發生空化提供了先決條件．隨著流體的流動，空化器的后半段壓力逐漸升高，并且流體中氣含率也在不斷增加，這將會導致空泡的穩定性降低，從而使空泡流在某個位置處產生潰滅，形成潰滅區．由于水流不斷流過環隙，會在空化初生期不斷產生空泡，并隨水流進入生長區和潰滅區，從而形成了如圖 3所示的壓力云圖．對比 3種空化器壓力云圖得出梨形內軸空化器低壓段范圍最小，球形內軸空化器低壓段范圍最大，錐形內軸空化器低壓段范圍介于梨形內軸空化器與球形內軸空化器之間．

比如電視節目《經典詠流傳》，把古典、經典華章與現代音樂結合在一起，讓學生通過唱歌的方式記住古詩詞。小學語文課本中的《登鸛雀樓》一詩，用了同一首曲子，由不同語言反復吟唱，讓一首簡單的、只有20字的古代詩歌的魅力，穿越千年的歷史長河，突破中西文化的壁壘，展現在了世人面前。

圖3 壓力云圖Fig. 3 Contours of pressure

2.2 速度云圖

圖 4為 3種環隙型水力空化器發生空化現象時中間截面的速度云圖．從圖 4可以看出：流體在經過環隙時會在環隙后方產生一定范圍的高速區，流體在經過環隙后，流體速度并沒有隨著流道面積的增加而下降的原因是由于流體發生空化產生的氣泡隨著流體一起流動，空泡的體積占據了一部分流道，流體只能在空泡間隙流動，從而使流體流速并沒有顯著降低．在高速區末端流體速度急劇下降，這是由于流體經過潰滅區，空泡重新潰滅成液態水，從而使流速下降的原因．器出口處的速度略大于在進口處的速度，這主要由兩方面原因造成的：(1)在錐形內軸與梨形內軸空化器低壓區后方出現了一段中低壓力的“過渡區”，這說明由于空化泡大小或形態等原因導致空化泡在潰滅區并沒有發生完全潰滅，從而流體中還存在少量的空化泡；(2)流體在高速區后方形成了一定范圍的旋渦區，旋渦區會占用一部分流道，從而使能供流體通過的流道變窄．

圖4 速度云圖Fig. 4 Contours of velocity

對比流體在錐形內軸空化器與梨形內軸空化器的流動狀態，梨形內軸空化器中流體在開始進入收縮段時會形成一定范圍的“死區”，從而造成一部分能量損耗，并且對流體流動方向與流動狀態造成影響；而錐型內軸空化器“死區”范圍很?。虼?，錐形內軸空化器高速區范圍大于梨形內軸空化器的．

對比流體在錐形內軸空化器與球形內軸空化器的流動狀態，錐形內軸空化器“死區”范圍很小，而球形內軸空化器中流體同樣形成了一定范圍的“死區”，造成了一部分能量的損耗，并且對流體流動方向與流動狀態造成了影響．但是，錐形內軸空化器的環隙結構具有“角度突變”的特征，而球形內軸空化器的環隙結構具有“角度漸變”的特征，環隙結構處角度的突變會強制地使流體流動方向發生改變，尤其對在環隙處高速流動的流體造成更為顯著的影響.因此，球形內軸空化器高速區范圍大于錐形內軸空化器的．

綜上：不同內軸類型的空化器相比，空化器內流體速度峰值差別不大；但是，對于高速區范圍，球形內軸空化器＞錐形內軸空化器＞梨形內軸空化器．

2.3 壁面氣含率分布圖

對于水力空化而言，空化過程往往發生在流體與固體壁面的交界面及其附近區域[10]．為了進一步分析內軸類型對空化器內部蒸氣體積分數的影響，選取3種空化器的外腔壁面與內軸壁面進行分析，對比不同的內軸類型對外腔壁面處與內軸壁面處氣含率的影響．圖 5為 3種內軸類型空化器的外腔壁面與內軸壁面氣含率分布圖，圖中橫坐標為 x軸坐標，其方向為沿空化器的軸線方向，空化器環隙位置均在100,mm處．

由圖 5可以看出：3種空化器均是在軸向位置100,mm處內軸壁面上開始發生空化，說明流體在經過環隙后產生空化，并且氣含率迅速達到峰值，氣含率峰值接近 100%,，表明在環隙后部附近區域內內軸表面部分區域已經接近完全汽化．其中，錐形內軸空化器空化發生的區域在 100～300,mm，梨形內軸空化器發生空化的區域在 100～260,mm，球形內軸空化器發生的區域在100～330,mm．3種內軸類型對內軸壁面處氣含率峰值影響不明顯，對高氣含率區域值影響明顯．

圖5 3種空化器壁面氣含率分布圖Fig. 5 Vapor fraction at the wall of three types of annulus cavitation device

外腔壁面的空化是從 x軸坐標為 100,mm處后方一段區域開始的，這主要是由于內軸壁面處產生的空化泡一方面受到流體的“裹挾”作用向下游移動；另一方面又由于空化泡的數量越來越多，空化泡之間產生相互擠壓作用，從而使得空化泡向外腔壁面處擴散．外腔壁面處流體氣含率沿x軸坐標的增長由兩個階段組成，第一個階段氣含率增長較快，第二個階段氣含率增長較慢，兩個階段轉折點處的x軸坐標與內軸壁面處氣含率最高值對應的x軸坐標相同，說明隨著內軸壁面處氣含率的下降，外腔壁面處氣含率的增長速度也在下降．外腔壁面處氣含率峰值出現在空化泡潰滅的部位，其中，錐形內軸空化器外腔壁面處氣含率峰值為 52%,，梨形內軸空化器外腔壁面處氣含率峰值為 48%,，球形內軸空化器外腔壁面處氣含率峰值為60%,．

3 結 論

(1)3種內軸類型對空化器內流體速度峰值影響不大，但高速區范圍球形內軸空化器大于錐形內軸空化器大于梨形內軸空化器，高速區范圍的提高有利于多種水力空化的實際應用．

(2)3種內軸類型空化器的內軸壁面處空化效果最好，外腔壁面處空化效果最差，并且不同內軸類型對內軸壁面處空化氣含率峰值影響不顯著，對外腔壁面處空化氣含率峰值影響顯著．其中，球形內軸空化器外腔壁面處氣含率峰值最高，梨形內軸空化器外腔壁面處氣含率峰值最低，錐形內軸空化器氣含率峰值介于兩者之間．

(3)環隙結構的“角度突變”特征會使流體的空化效果減弱，在設計環隙型空化器時應盡量避免環隙結構處的“角度突變”，本研究中球形內軸空化器的空化效果最好，其次是錐形內軸空化器，梨形內軸空化器最差．

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